用納秒脈沖激光退火制備納米硅發(fā)光材料的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光子材料與器件制備技術(shù)領(lǐng)域，具體地涉及一種用納秒脈沖激光退火制備納米硅發(fā)光材料的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，我們正處于后信息時(shí)代，其特點(diǎn)是由電子信息階段過(guò)渡到光子信息階段，現(xiàn)在已經(jīng)完成以光子為信息載體的轉(zhuǎn)換過(guò)程，如已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全光的光纖通信和光通信。當(dāng)今的發(fā)展進(jìn)入芯片上的光電子集成與芯片級(jí)的全光化，這是實(shí)現(xiàn)光量子信息處理和光量子信息計(jì)算的關(guān)鍵，而在硅芯片上制備納米硅結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)瓶頸性的工作。更重要的是，對(duì)于材料加工的退火工藝與退火過(guò)程正在實(shí)現(xiàn)激光化。
[0003]眾所周知，建立在硅基上的微電子信息產(chǎn)業(yè)高度發(fā)達(dá)，但是受尺寸與功耗的限制，摩爾定律已經(jīng)到了適用范圍的極限?？茖W(xué)家們?cè)噲D在硅基上建立起全新的光量子信息處理系統(tǒng)，取代現(xiàn)在的微電子信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息時(shí)代革命性的跨越。這里，我們要解決的關(guān)鍵性問(wèn)題是:在硅芯片上制備包括量子點(diǎn)和量子面納米結(jié)構(gòu)的有很好發(fā)光性質(zhì)的材料，其制備過(guò)程中的退火是關(guān)鍵性環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的爐子退火過(guò)程難于控制加工參量，特別是快速退火的時(shí)間與溫度參量更難控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是:提供一種用納秒脈沖激光退火制備納米硅發(fā)光材料的方法及裝置，它升溫穩(wěn)定性好、退火氛圍好控制且操作靈敏特，特別適用于在硅芯片上制備包括量子點(diǎn)和量子面納米結(jié)構(gòu)的快速退火處理工藝與過(guò)程，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0005]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的:用納秒脈沖激光退火制備納米硅發(fā)光材料的方法，在硅片上采用納秒脈沖激光退火方法在硅片上制備出2-5nm的硅量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，在其結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了光栗浦可見(jiàn)光區(qū)的強(qiáng)發(fā)光和電栗浦在光通信波段的發(fā)光。
[0006]具體包括如下步驟:
(1)預(yù)處理:對(duì)單晶硅片進(jìn)行P型摻雜，形成電阻率2?20歐.厘米的硅片，用氫氟酸除去硅表面在空氣中形成的氧化硅層，用脈沖激光沉積(PLD)法在硅片上制備出非晶硅薄膜；
(2)調(diào)整用于退火的納秒脈沖激光束:獲取納秒脈沖激光，倍頻在近紅外波段，保持激光束斑均勻覆蓋需退火的范圍，調(diào)激光重復(fù)率至800?1200次/秒、脈寬60?100納秒；
(3)設(shè)置好納秒脈沖激光的脈沖寬度、光子強(qiáng)度、脈沖重復(fù)率、光子波長(zhǎng)及作用時(shí)間，并設(shè)置樣品的退火氛圍，進(jìn)行納秒脈沖激光退火后，獲得納米硅發(fā)光材料。所述的納秒脈沖激光的脈沖寬度為為10納秒-10微秒，光子強(qiáng)度為1KW/Cm2-1000KW/Cm2，脈沖重復(fù)率為1000/s-5000/s，光子波長(zhǎng)為355nm_1064nm，作用時(shí)間為10s_30min ;所述的退火氛圍為高真空(15 Pa)下充氬氣或氮?dú)狻?br>[0007]納秒脈沖激光退火裝置，包括真空腔，在真空腔內(nèi)的頂部設(shè)有樣品臺(tái)，樣品臺(tái)的工作面向下，在真空腔上設(shè)有處于樣品臺(tái)工作面下方的退火激光入射口，測(cè)溫激光入射口及測(cè)溫激光出射口 ；在真空腔外設(shè)有退火納秒脈沖激光發(fā)生器，測(cè)溫激光發(fā)射器及激光測(cè)溫傳感接收器，在退火納秒脈沖激光發(fā)生器與退火激光入射口之間的光路上設(shè)有退火激光束整形透鏡，在測(cè)溫激光發(fā)射器與測(cè)溫激光入射口之間的光路上設(shè)有測(cè)溫激光束整形透鏡；在真空腔上還設(shè)有氛圍氣路。
[0008]由于采用以上技術(shù)方案，本發(fā)明采用在硅片上以納秒脈沖激光退火方法制備納米硅發(fā)光材料，由于光子作用樣品來(lái)升溫穩(wěn)定性好、退火氛圍好控制且操作靈敏特，可以進(jìn)行精準(zhǔn)的30秒到5分鐘的快速退火，別適合快速退火要求；所用來(lái)退火的納秒脈沖激光可以使樣品溫度保持到500K-1800K的需求點(diǎn)，獲取很好的晶化條件；完全可以替代火爐退火的方式來(lái)制備納米硅結(jié)構(gòu)，所制備出2-5nm的硅量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，在其結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了光栗浦可見(jiàn)光區(qū)的強(qiáng)發(fā)光和電栗浦在光通信波段的發(fā)光，通過(guò)控制納秒脈沖激光的脈沖寬度、光子強(qiáng)度、脈沖重復(fù)率、光子波長(zhǎng)及作用時(shí)間等參量可以制備2-3nm、3-4nm與4-5nm尺度分布很窄的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明簡(jiǎn)單易行，使用效果好。
【附圖說(shuō)明】
[0009]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明的納秒脈沖激光退火的硅片加工圖；
圖3為本發(fā)明的納秒脈沖激光退火后的硅片SEM圖；
圖4為本發(fā)明的納秒脈沖激光退火后的硅片TEM圖，圖中顯示硅量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)；
圖5為本發(fā)明的納秒脈沖激光退火后的納米硅發(fā)光譜圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但不作為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0011]本發(fā)明的實(shí)施例:用納秒脈沖激光退火制備納米硅發(fā)光材料的方法:
(1)預(yù)處理:對(duì)單晶硅片進(jìn)行P型摻雜，形成電阻率2?20歐.厘米的硅片，用氫氟酸除去硅表面在空氣中形成的氧化硅層，用脈沖激光沉積(PLD)法在硅片上制備出非晶硅薄膜；
(2)調(diào)整用于退火的納秒脈沖激光束:獲取納秒脈沖激光，倍頻在近紅外波段，保持激光束斑均勻覆蓋需退火的范圍，調(diào)激光重復(fù)率至800?1200次/秒、脈寬60?100納秒；用倍頻鏡在可見(jiàn)光下完成調(diào)節(jié)工作；
(3)納秒脈沖激光的脈沖寬度為10納秒-10微秒，光子強(qiáng)度為1KW/Cm2-1000KW/Cm2，脈沖重復(fù)率為1000/s-5000/s，光子波長(zhǎng)為355nm-1064nm，作用時(shí)間為10s_30min ;所述的退火氛圍為高真空(10 5 Pa)下充氬氣或氮?dú)狻＿M(jìn)行納秒脈沖激光退火后，獲得納米硅發(fā)光材料；
(4)在電鏡下觀(guān)察納秒脈沖激光退火后的晶化及其形貌特征；獲取很好的晶化條件，如圖2和圖3所示；納米硅發(fā)光材料的尺度分布為3-4nm，如圖4所示；
(5)用光致熒光PL譜儀檢測(cè)納秒脈沖激光退火后的納米硅的發(fā)光特性，如圖5所示，可見(jiàn)，納秒脈沖激光退火的時(shí)間是重要參量之一。
[0012]納秒脈沖激光退火裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括真空腔I，在真空腔I內(nèi)的頂部設(shè)有樣品臺(tái)2，樣品臺(tái)2的工作面向下，在真空腔I上設(shè)有處于樣品臺(tái)2工作面下方的退火激光入射口 3，測(cè)溫激光入射口 4及測(cè)溫激光出射口 5 ;在真空腔外設(shè)有退火納秒脈沖激光發(fā)生器6，測(cè)溫激光發(fā)射器7及激光測(cè)溫傳感接收器8，在退火納秒脈沖激光發(fā)生器6與退火激光入射口 3之間的光路上設(shè)有退火激光束整形透鏡9，在測(cè)溫激光發(fā)射器7與測(cè)溫激光入射口 4之間的光路上設(shè)有測(cè)溫激光束整形透鏡10 ;在真空腔I上還設(shè)有氛圍氣路11 ;另夕卜，還有一些在真空腔I上必要的常規(guī)設(shè)置結(jié)構(gòu)，此處就不再贅述。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用納秒脈沖激光退火制備納米硅發(fā)光材料的方法，其特征在于:在硅片上采用納秒脈沖激光退火方法在硅片上制備出2-5nm的硅量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，在其結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了光栗浦可見(jiàn)光區(qū)的強(qiáng)發(fā)光和電栗浦在光通信波段的發(fā)光。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用納秒脈沖激光退火制備納米硅發(fā)光材料的方法，其特征在于:具體包括如下步驟: (1)預(yù)處理:對(duì)單晶硅片進(jìn)行P型摻雜，形成電阻率2?20歐.厘米的硅片，用氫氟酸除去硅表面在空氣中形成的氧化硅層，用脈沖激光沉積法在硅片上制備出非晶硅薄膜； (2)調(diào)整用于退火的納秒脈沖激光束:獲取納秒脈沖激光，倍頻在近紅外波段，保持激光束斑均勻覆蓋需退火的范圍，調(diào)激光重復(fù)率至800?1200次/秒、脈寬60?100納秒； (3)設(shè)置好納秒脈沖激光的脈沖寬度、光子強(qiáng)度、脈沖重復(fù)率、光子波長(zhǎng)及作用時(shí)間，并設(shè)置樣品的退火氛圍，進(jìn)行納秒脈沖激光退火后，獲得納米硅發(fā)光材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:所述的納秒脈沖激光的脈沖寬度為10納秒-10微秒，光子強(qiáng)度為lKW/cm2-1000KW/cm2，脈沖重復(fù)率為1000/s-5000/s，光子波長(zhǎng)為355nm-1064nm，作用時(shí)間為10s_30min ;所述的退火氛圍為在10 5 Pa的真空條件下充氬氣或氮?dú)狻?.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的方法的納秒脈沖激光退火裝置，包括真空腔(I )，其特征在于:在真空腔(I)內(nèi)的頂部設(shè)有樣品臺(tái)(2)，樣品臺(tái)(2)的工作面向下，在真空腔(I)上設(shè)有處于樣品臺(tái)(2 )工作面下方的退火激光入射口( 3 )，測(cè)溫激光入射口( 4 )及測(cè)溫激光出射口(5);在真空腔外設(shè)有退火納秒脈沖激光發(fā)生器(6)，測(cè)溫激光發(fā)射器(7)及激光測(cè)溫傳感接收器(8)，在退火納秒脈沖激光發(fā)生器(6)與退火激光入射口(3)之間的光路上設(shè)有退火激光束整形透鏡(9 )，在測(cè)溫激光發(fā)射器(7 )與測(cè)溫激光入射口( 4 )之間的光路上設(shè)有測(cè)溫激光束整形透鏡(10);在真空腔(I)上還設(shè)有氛圍氣路(11)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用納秒脈沖激光退火制備納米硅發(fā)光材料的方法及裝置。本發(fā)明采用在硅片上以納秒脈沖激光退火方法制備納米硅發(fā)光材料，由于光子作用樣品來(lái)升溫穩(wěn)定性好、退火氛圍好控制且操作靈敏特，可以進(jìn)行精準(zhǔn)的10秒到5分鐘的快速退火，別適合快速退火要求；所用來(lái)退火的納秒脈沖激光可以使樣品溫度保持到500K-1800K的需求點(diǎn)，獲取很好的晶化條件；完全可以替代火爐退火的方式來(lái)制備納米硅結(jié)構(gòu)，所制備出2-5nm的硅量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)，在其結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了光泵浦可見(jiàn)光區(qū)的強(qiáng)發(fā)光和電泵浦在光通信波段的發(fā)光，通過(guò)控制納秒脈沖激光的脈沖寬度、光子強(qiáng)度、脈沖重復(fù)率、光子波長(zhǎng)及作用時(shí)間等參量可以制備2-3nm、3-4nm與4-5nm尺度分布很窄的量子點(diǎn)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明簡(jiǎn)單易行，使用效果好。
【IPC分類(lèi)】C23C14/28, H01L33/00, C23C14/16, C23C14/58
【公開(kāi)號(hào)】CN105200376
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510664019
【發(fā)明人】黃偉其
【申請(qǐng)人】貴州大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月30日
【申請(qǐng)日】2015年10月15日